Як вибрати нагрівальний валик для компресійного формування довговолокнистих термопластів (LFT)?

компресійне формування великої автомобільної деталі із гарячого термопластику, армованого -скловолокном-. Ніби натискання гарячої абразивної ковдри. Матеріал тече під величезним тиском, подрібнюючи гарячі плити. Звичайний сталевий валик зношується і втрачає свою площинність, створюючи відхилення товщини деталей. Плита має бути броньована. Вибираючи відповідний термопласт із довговолокнистими термопластами для компресійного формування з нагрівальною плитою, враховуйте поверхневу твердість, структурну жорсткість і термічну однорідність, особливо для геометрії глибокої-витяжки.

Проблема зносу: скловолокно як абразив
Довговолокнисті термопласти (LFT) зазвичай містять 20-50 мас.% скловолокна, а довжина волокна знаходиться в діапазоні 6-25 мм. Під час такту стиснення розплавлена ​​полімерна матриця переміщує ці жорсткі загострені волокна по поверхні плити під тиском 50–200 бар (5–20 МПа). Волокна — це маленькі скребки, які повільно видаляють матеріал із поверхні валика. Через кілька тижнів або місяців виробництва на м’якому або необробленому сталевому валику з’являться подряпини, борозенки та локальні западини. Це призводить до нерівномірності товщини деталі, що призводить до бракування деталей і переробки інструменту.

Зміцнення поверхні: перша лінія захисту
Поверхня валика — це ковадло, а молот, який ніколи не зупиняється, — це текучий, наповнений скло- полімер. Щоб протистояти цьому стиранню, поверхня валика повинна мати принаймні 60 Роквелла C (HRC) або приблизно 700–800 HV.

Вибір основного матеріалу
Корпус валика зазвичай виготовляється з високоякісної інструментальної сталі, наприклад AISI H13 (1.2344), AISI P20 (1.2311) або AISI 4140, попередньо загартованої. Теплопровідність, оброблюваність і стабільність розмірів цих сталей є хорошими при звичайних температурах формування від 150 до 250 градусів. Але оголена сталь не підходить для застосування LFT.

Процеси поверхневого зміцнення
Одна з трьох стандартних процедур використовується для зміцнення робочої поверхні валика пресового формування для LFT:

Твердість (HRC) Глибина обробки Придатність для LFT
Газове або плазмове азотування0,3-0,5 мм 65-70 Добре підходить для помірної кількості скла (<=30%)
Тверде хромування 0,05–0,2 мм 65–70Добре, але може тріснути під високими точковими навантаженнями
PVD керамічне покриття (TiN, CrN, AlTiN) 2–5 мкм (0,002–0,005 мм) 80–85 (до 2000–3000 HV) Чудово підходить для важконавантажених сполук (більше або дорівнює 40% скла)
Азотування утворює зону дифузії, яка поступово змінюється від шару твердої суміші до більш м’якої серцевини, уникаючи розшарування. Це найбільш економічно ефективна альтернатива для середнього виробництва.

Тверде хромування має високу зносостійкість, але вимагає точної підготовки краю, щоб запобігти відшарування під час термічного циклу.

Physical Vapour Deposition (PVD) coatings such as titanium nitride (TiN) or chromium nitride (CrN) offer the greatest surface hardness (usually >2000 HV) і дуже низький коефіцієнт тертя. Незважаючи на те, що покриття досить тонке (кілька мікрон), воно значно знижує знос клею та подряпин на волокні. Для найбільш абразивних і міцно склопакованих матеріалів (наприклад, 50% скла) PVD покриття є оптимальною відповіддю.

Жорсткість конструкції: тильна сторона з ребрами
Для формування LFT плита повинна витримувати згинання та прогинання під високим тиском формування, який зазвичай знаходиться в діапазоні 100-200 бар. Навіть невелика опукла або увігнута деформація (приблизно 0,1 мм) призводить до неоднорідної товщини деталі з тонкими ділянками, де тиск найвищий, і товстими ділянками по краях.

Заради рівності слід використовувати сильно ребристу задню сторону нагрівального валика (протилежну сторону поверхні формування). Ребра відливаються або оброблюються у вигляді сітки, що збільшує модуль пружності перетину без надто великої маси. Відстань і товщина ребер часто оптимізуються за допомогою аналізу кінцевих елементів (FEA) для очікуваної сили затиску та геометрії прес-форми. Гарно ребриста плита загальною товщиною від 50 до 100 мм може мати прогин менше 0,05 мм на прольоті 1 метр під повним навантаженням.

Формування глибоким витягуванням: рівномірність температури
Предмети глибокої-витяжки LFT, такі як оболонки задніх сидінь автомобіля, передні-модулі чи корпуси акумуляторів, потребують постійного потоку матеріалу у вертикальні або майже-вертикальні стінки. Якщо на поверхні валика є гарячі або холодні зони, полімер не буде текти рівномірно. Більш гарячі зони забезпечать більш швидкий потік, тоді як холодніші зони застигнуть передчасно і не заповняться повністю.

Нагрівальні елементи, які зазвичай є картриджними нагрівачами, повинні бути встановлені якомога ближче до робочої поверхні, як правило, на 15-25 мм нижче поверхні. Це зменшує температурну затримку та дозволяє швидко реагувати на коригування заданого значення температури. У місцях з великими втратами тепла (наприклад, біля країв і в кутах глибокої витяжки) картриджні нагрівачі укладаються зигзагом або паралельно з меншою відстанню. Укажіть кілька окремих зон нагріву (зазвичай 3-6 зон на платформу), кожна з яких має власний датчик температури (термопару або термометр термометра) і контролер із замкнутим контуром. Ця зональна структура долає втрати тепла в різних областях валика та гарантує, що вся область формування, включаючи порожнину глибокої витяжки, залишається в межах ±2 градусів від бажаної температури.

Оздоблення поверхні деталі
Щоб оптимізувати вивільнення формованої частини LFT, поверхню валика слід відшліфувати (Ra 0,2–0,4 мкм або краще). Більш гладка поверхня мінімізує опір волокна та утворення пошкоджених полімерних залишків. Покриття має базовий полірований валик із PVD-покриттям, що забезпечує як зносостійкість, так і просте від’єднання.

Критерії вибору компресійного пресування LFT Зведені вимоги Запропонована специфікація
Основний матеріал Інструментальна сталь (H13, P20 або 4140)
Твердість поверхні більше або дорівнює 60HRC (більше або дорівнює 700HV)
Метод зміцнення Азотування (0,3-0,5 мм) для<30% glass; PVD TiN/CrN for >30% скла
Задня сторона валика Висока ребристість, FEA-оптимізована для відхилення<0.05 mm/m
Картриджні нагрівачі 15–25 мм від поверхні, зональне регулювання (±2 град.) Нагрівальні елементи
Оздоблення поверхні Відполірована до Ra Менше або дорівнює 0,4 мікрона
Висновок
Вибір плити для формування LFT - це війна проти стирання та прогину; шлях до перемоги – шукати міцний, добре-підтримуваний інструмент із точно рівномірним тепловим профілем. Для компресійного формування довговолокнистих термопластів із нагріванням валика потрібна поверхня, здатна витримувати шліфування скляних волокон, що досягається шляхом азотування, твердого хрому або PVD-керамічних покриттів, а також ребриста тильна сторона для запобігання прогину під високим тиском. Картриджні нагрівачі в окремих зонах, прилеглих до робочої поверхні, виробляють рівномірний нагрів, необхідний для глибоко-формування. Щоб підготувати легкі та високоміцні автомобільні деталі завтрашнього дня, вам потрібен інструмент, який не зношується, добре підібраний валик забезпечує саме це.